Astronomen hebben een nieuw model voorgesteld voor het onzichtbare materiaal dat de meeste materie in het heelal vormt. Ze hebben onderzocht of een fractie donkere materiedeeltjes een kleine elektrische lading kan hebben.

"Je hebt gehoord van elektrische auto's en e-books, maar nu hebben we het over elektrische donkere materie, " zei Julian Munoz van de Harvard University in Cambridge, Massa., wie leidde de studie die in het tijdschrift is gepubliceerd? Natuur . "Echter, deze elektrische lading is op de allerkleinste schaal."

Munoz en zijn medewerker, Avi Loeb van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) in Cambridge, Massa., onderzoek de mogelijkheid dat deze geladen donkere materiedeeltjes interageren met normale materie door de elektromagnetische kracht.

Hun nieuwe werk sluit aan bij een recent aangekondigd resultaat van de samenwerking Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization) Signature (EDGES). In februari, wetenschappers van dit project zeiden dat ze de radiosignatuur van de eerste generatie sterren hadden gedetecteerd, en mogelijk bewijs voor interactie tussen donkere materie en normale materie. Sommige astronomen betwistten de bewering van EDGES snel. In de tussentijd, Munoz en Loeb keken al naar de theoretische basis die eraan ten grondslag ligt.

"We kunnen met ons onderzoek een fundamenteel natuurkundig verhaal vertellen, hoe je het EDGES-resultaat ook interpreteert, " zei Loeb, wie is de voorzitter van de astronomieafdeling van Harvard. "De aard van donkere materie is een van de grootste mysteries in de wetenschap en we moeten alle gerelateerde nieuwe gegevens gebruiken om het aan te pakken."

Het verhaal begint met de eerste sterren, die ultraviolet (UV) licht uitzond. Volgens het algemeen aanvaarde scenario, dit UV-licht interageerde met koude waterstofatomen in gas tussen de sterren en stelde hen in staat de kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB) te absorberen, de overgebleven straling van de oerknal.

Deze absorptie had in deze periode moeten leiden tot een daling van de intensiteit van de CMB, die minder dan 200 miljoen jaar na de oerknal plaatsvindt. Het EDGES-team beweerde bewijs te hebben gevonden voor deze absorptie van CMB-licht, hoewel dit nog onafhankelijk moet worden geverifieerd door andere wetenschappers. Echter, de temperatuur van het waterstofgas in de EDGES-gegevens is ongeveer de helft van de verwachte waarde.

"Als EDGES in deze periode koeler dan verwacht waterstofgas heeft gedetecteerd, wat zou het kunnen verklaren?" zei Munoz. "Een mogelijkheid is dat waterstof werd afgekoeld door de donkere materie."

Op het moment dat CMB-straling wordt geabsorbeerd, de eventuele vrije elektronen of protonen die met gewone materie zijn geassocieerd, zouden met hun laagst mogelijke snelheden hebben bewogen (aangezien ze later werden verwarmd door röntgenstralen van de eerste zwarte gaten). Verstrooiing van geladen deeltjes is het meest effectief bij lage snelheden. Daarom, elke interactie tussen normale materie en donkere materie gedurende deze tijd zou het sterkst zijn geweest als sommige donkere materiedeeltjes geladen waren. Deze interactie zou ervoor zorgen dat het waterstofgas afkoelt omdat de donkere materie koud is, mogelijk een observatiesignatuur achterlaten zoals die wordt beweerd door het EDGES-project.

"We beperken de mogelijkheid dat donkere materiedeeltjes een kleine elektrische lading dragen - gelijk aan een miljoenste die van een elektron - door meetbare signalen van de kosmische dageraad, "zei Loeb. "Zulke kleine ladingen zijn zelfs met de grootste deeltjesversnellers onmogelijk waar te nemen."

Alleen kleine hoeveelheden donkere materie met een zwakke elektrische lading kunnen de EDGES-gegevens verklaren en onenigheid met andere waarnemingen voorkomen. Als de meeste donkere materie geladen is, dan zouden deze deeltjes zijn afgebogen van gebieden dicht bij de schijf van onze eigen Melkweg, en verhinderd opnieuw binnen te komen. Dit is in tegenspraak met waarnemingen die aantonen dat grote hoeveelheden donkere materie zich dicht bij de schijf van de Melkweg bevinden.

Wetenschappers weten uit waarnemingen van de CMB dat protonen en elektronen zich in het vroege heelal verenigden om neutrale atomen te vormen. Slechts een klein deel van deze geladen deeltjes, ongeveer één op een paar duizend, bleef vrij. Munoz en Loeb overwegen de mogelijkheid dat donkere materie op een vergelijkbare manier heeft gehandeld. De gegevens van EDGES, en soortgelijke experimenten, is misschien de enige manier om de weinige overgebleven geladen deeltjes te detecteren, aangezien de meeste donkere materie neutraal zou zijn.

"De haalbare parameterruimte voor dit scenario is behoorlijk beperkt, maar indien bevestigd door toekomstige waarnemingen, natuurlijk zouden we iets fundamenteels leren over de aard van donkere materie, een van de grootste puzzels die we tegenwoordig in de natuurkunde hebben, " zei Cora Dvorkin van Harvard, die niet betrokken was bij de nieuwe studie.

Lincoln Greenhill, ook van de CfA, test momenteel de observatieclaim van het EDGES-team. Hij leidt het Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA)-project, die de Long Wavelength Array gebruikt in Owen's Valley, Californië en Socorro, New Mexico.

Een paper waarin deze resultaten worden beschreven, verschijnt op 31 mei, 2018 nummer van het tijdschrift Natuur .